南洋理工大學(xué)新加坡膜技術(shù)中心王蓉教授組Progress in polymer science 綜述：靜電紡絲納米纖維在膜法水處理方面的應(yīng)用

【引言】

保障足夠且安全的水資源對人類的生產(chǎn)生活至關(guān)重要。據(jù)報(bào)道，全球超過80%的國家面臨水資源短缺的困境；全球25%的人口沒有足夠的安全水源。而且，總?cè)丝诘纳蠞q以及全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展導(dǎo)致水資源緊缺的狀況不斷加劇。為了滿足人類對于水的需求，新型高效水處理技術(shù)的研發(fā)受到了社會的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的水處理方法通常通過物理沉淀、化學(xué)藥劑、微生物處理等對污水中的污染物進(jìn)行去除。相比于這些傳統(tǒng)方法，膜法水處理由于其低能耗、易操作、占地面積小、出水水質(zhì)好等優(yōu)勢獲得了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在膜法水處理過程中，核心部件是起到選擇性分離作用的膜材料。市面上大部分膜材料是用過相轉(zhuǎn)換方法制備。近年來，由靜電紡絲技術(shù)制備的聚合物納米纖維膜也越來越收到人們的關(guān)注。不同于傳統(tǒng)相轉(zhuǎn)換方法制備的膜材料，靜電紡絲所制備的納米纖維膜是由納米尺寸的纖維材料重疊而成。因此，納米纖維膜具有高比表面積、高孔隙率、高表面粗糙度、高定向性等特性。另外，相對其他制膜方法，靜電紡絲的方法更易于將特定的功能性材料或官能團(tuán)接枝在單根納米纖維表面或者涂覆在納米纖維膜基體的表面，在制備新型復(fù)合膜材料方面有卓越的發(fā)展前景。

【成果簡介】

為了全面概述納米纖維膜材料應(yīng)用于膜法水處理方面的研究進(jìn)展，南洋理工大學(xué)新加坡膜技術(shù)中心王蓉教授（通訊作者）及其課題組在progress in polymer science上發(fā)表了題為“Progress in electrospun polymeric nanofibrous membranes for water treatment: Fabrication, modification and applications”的綜述文章，廖園博士（現(xiàn)為南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授）為論文的第一作者。該綜述論述并總結(jié)了聚合物納米纖維膜的制備及改性方法，著重強(qiáng)調(diào)了多種納米纖維膜及納米纖維復(fù)合膜針對水處理應(yīng)用的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)及改進(jìn)方向，涵蓋的膜法水處理過程包括壓力驅(qū)動膜過程（微濾、超濾、納濾）、滲透壓驅(qū)動膜過程、膜生物反應(yīng)器、膜蒸餾、油水分離膜、重金屬去除及殺菌等。

【圖文導(dǎo)讀】

1、本綜述首先論述了不同條件對于納米纖維膜制備的影響，包括聚合物紡絲溶液的性質(zhì)、紡絲條件、及環(huán)境條件。

圖一、納米纖維膜制備過程及主要影響因素。

2、本綜述總結(jié)了不同噴絲頭設(shè)計(jì)對于所制備得到的納米纖維膜的化學(xué)性質(zhì)及物理形貌的影響。

圖二、噴絲頭設(shè)計(jì)及其對納米纖維膜性能的影響

3、本綜述將納米纖維膜的后處理分成了三大類，并分別對其改性方法、改性目的及其作用進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其中包括單根納米纖維內(nèi)部改性、單根納米纖維表面改性、納米纖維膜表面涂敷。

圖三、納米纖維膜改性方法：

A.（1）將納米粒子嵌入納米纖維中；（2）混合聚合物納米纖維制備；（3）核殼結(jié)構(gòu)納米纖維制備；B. 單根納米纖維表面改性；C. 納米纖維膜表面涂敷。

4、本綜述針對不同的膜過程中納米纖維膜的研究現(xiàn)狀及其存在問題進(jìn)行了論述。

在微濾過程中，納米纖維膜可有效去除微米級顆粒物并獲得極高通量。但膜污染現(xiàn)象嚴(yán)重，顆粒物容易在納米纖維膜表面或膜孔徑內(nèi)沉積，導(dǎo)致膜通量的大幅降低。在超濾及納濾中，納米纖維膜需通過界面聚合的方法在其表面上涂敷一層超薄的致密選擇層。通過對選擇皮層的控制可有效截留蛋白質(zhì)、有機(jī)物、二價(jià)鹽等。在超濾及納濾過程中，納米纖維膜的抗污染性能，以及高操作壓力下納米纖維膜的穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。近些年，通過納米纖維基體制備正滲透及壓力延遲滲透膜也是一項(xiàng)研究熱點(diǎn)，其主要的挑戰(zhàn)在于如何在納米纖維粗糙表面通過界面聚合方法制備表面聚酰胺層，及聚酰胺層在長期使用過程的穩(wěn)定性、如何改善納米纖維基體的機(jī)械強(qiáng)度，使其在高壓應(yīng)用下不失去原有的高孔隙率。另外，也有研究工作將納米纖維膜用于膜生物反應(yīng)器中，并研究了納米纖維的親疏水性以及納米纖維尺寸對膜效率的影響。由于納米纖維膜的高表面粗超度，由疏水材料制備的納米纖維膜通常具有更高的表面接觸角，因此更適用于膜蒸餾過程。并且，有大量研究通過調(diào)整紡絲溶液或者后處理方法制備超疏水納米纖維復(fù)合膜，從而進(jìn)一步提高膜材料在膜蒸餾過程中的穩(wěn)定性。另外，該綜述還討論了改性納米纖維膜對重金屬的吸附回收及其殺菌作用。

【總結(jié)與展望】

本文總結(jié)了納米纖維膜在膜法水處理方向的最新研究進(jìn)展,包括納米纖維膜制備的主要影響因素、納米纖維膜的后處理改性方法以及納米纖維膜在膜法水處理方面的應(yīng)用及其存在的問題。雖然納米纖維膜針對水處理過程的研發(fā)工作已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展，但仍然具有廣闊的進(jìn)步空間。作者提出了靜電紡絲納米纖維膜仍需改善的幾個(gè)方面：（1）超細(xì)納米纖維的制備。靜電紡絲所制備的納米纖維尺寸通常在100納米至1微米之間。而由這些尺寸的納米纖維重疊覆蓋而成的納米纖維膜孔徑通常在微濾范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步縮小膜孔徑、提高納米纖維膜的截留效果、有效支撐復(fù)合膜皮層，有必要研究如何通過靜電紡絲得到直徑低于100納米的超細(xì)纖維。（2）增強(qiáng)復(fù)合膜皮層與納米纖維膜基體的結(jié)合力。由于納米纖維膜的高表面粗糙度及高表面孔隙率，納米纖維基體與表面皮層的結(jié)合作用及其在長期使用過程中的穩(wěn)定性還需進(jìn)一步研究及優(yōu)化。（3）納米纖維膜的膜污染問題。同樣由于納米纖維膜的高表面粗糙度及高孔隙率，污染物容易停留在納米纖維膜的表面及內(nèi)部，難以清洗。如何通過選擇基體材料、調(diào)整膜孔徑、及有效的后處理方法減輕膜污染仍需更深入的系統(tǒng)研究。（4）靜電紡絲可用于制備得到多種功能化納米結(jié)構(gòu)，例如中空納米纖維、取向納米纖維等。而如何在工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)這些功能納米纖維尚需從業(yè)人員的努力。

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